太陽活動領域における電流層の構造と上安定性

宇宙天気と宇宙気候

太陽活動を予測する

ー名古屋大学での太陽研究の紹介ー

名古屋大学太陽地球環境研究所

総合解析部門（SSt研）

草野完也

([email protected])

1

自己紹介

Who I am

 草野完也（Kanya Kusano)  経歴  北大物理、広大物性・物理科学・先端物質科学  海洋研究開発機構/JAMSTEC 地球シミュレータセンター、地球内部ダイナミクス領域  名古屋大学 太陽地球環境研究所 教授（2009.7-)  専門  太陽・宇宙・核融合プラズマ物理学 (plasma physics)  非線形電磁流体力学、ダイナモ理論(MHD, dynamo)  シミュレーション科学(simulation sciences)

 宇宙天気・宇宙気候(space weather, space climate)

 雲物理(cloud physics)

 所属学会

 日本天文学会、日本物理学会、地球電磁気・地球惑星圏学会、プラズマ・核融合学会、

JpGU, AGU, AAS, APS, IAU

2010/8/17 2

太陽と地球をつなぐもの



粒子：プラズマ、高エネルギー粒子



場：電磁波（電波、光、紫外線、Ｘ線）、磁場

3 4

プラズマって何？



Three phases



ionization

固体(solid)

液体(liquid)

気体(gas)

相転移（phase transition)

プラズマ(plasma)

e（－） P（＋） mp 1.7x10-27kg me 9.1x10-31kg

solid

liquid

gas

plasma

温度

104_K 2010/8/17

電磁流体力学(MHD

magneto-hydro-dynamics

)

6 B B frozen-in（凍結） if h=0 (理想MHD) ) (V B B_{ }   t 太陽風と磁力線

太陽圏

(Heliosphere)

7 100AU 8

キッチンでできる“衝撃波実験”

超音速流 亜音速流 波 衝撃波

宇宙天気と宇宙気候

9

宇宙天気

space weather

宇宙気候

space climate

太陽面爆発（フレア）などに起因 した宇宙空間や地上の電磁環境変動 やプラズマ現象（磁気嵐、オーロラ爆発、 太陽エネルギー粒子） 太陽活動に起因した宇宙空間と 地球環境の長時間変動

太陽面爆発と宇宙天気被害



8分後：Ｘ線・紫外線



電離層擾乱→通信障害，ＧＰＳ障害



約30分後：太陽高エネルギー粒子（ＳＥＰ）



宇宙飛行士の被曝、衛星電子障害



約2日後：コロナ質量放出（ＣＭＥ）



磁気嵐→送電網障害、パイプライン被害



高エネルギー電子→大気膨張、衛星軌道変動、

通信障害

10

フレアと太陽高エネルギー粒子(SEP)

2010/8/17

Courtesy of CDAW Data Center at NASA and The Catholic University of America

SOHO衛星による観測

太陽面爆発と宇宙天気

宇宙天気による被害

13 読売新聞2001年9月26日朝刊 1989/03/13 カナダのケベックで送電施設の 障害による停電（9時間600万人に影響） 磁気嵐による停電 フレアによる衛星障害

キャリントン・イベント（1859年9月1日）



Richard C. Carrington



太陽フレアの発見、太陽フレアとオーロラ・磁気嵐

の関係を提唱

14

過去

400年の太陽フレア

2010/8/17 McCracken et al. 2001

ちょっと寄り道



お薦めＳＦ小説



太陽の盾

(Sunstorm)

 アーサー・Ｃ・クラーク＆スティー ブン・バクスター  月面にいる若き孤高の天文学者ユー ジーンは、強大な太陽嵐が2042年4 月に起こると予測した。それだけの規 模の嵐になれば、地球上のあらゆる 動植物はもちろんのこと、人類が生き 延びることは不可能だ。そこで、科学 者たちは前代未聞の大計画を企てた 。宇宙空間に地球と同じ大きさの盾を 設置し、太陽の巨大なエネルギーを 防ごうというのだ。途方もない計画の 実現に向け、科学者、宇宙飛行士が 結集し、たった4年あまりで"太陽の盾 "を完成させようとするが…… 16

太陽嵐

_{(Solar Storm)}



太陽フレア



太陽コロナ磁場のエネルギーが突発的に熱と運動

に変換される爆発現象。(~10

25

_J)



放出されるＸ線量で規模が測られる。



黒点群の中で発生する。



コロナ質量放出(ＣＭＥ)



大規模なコロナプラズマの放出現象



質量：10億トン、速度：100~2000 km/sec

17

太陽フレア

18

DST index

Harstad, Norway

Payson, Arizona

2006, Dec.14

The Target Event

_{太陽フレアとコロナ質量放出（ＣＭＥ)}

太陽フレア コロナ質量放出 (CME)

惑星間ＣＭＥの構造

21 衝撃波

太陽風と磁気圏の相互作用

23

Interplanetary CME

Nature 432, 78-81 (4 November 2004) | doi: 10.1038/nature02986

An interplanetary shock traced by planetary auroral storms from the Sun to Saturn

Renée Prangé1, Laurent Pallier1, Kenneth C. Hansen2, Russ Howard3, Angelos Vourlidas3, Régis Courtin1and Chris Parkinson4

太陽嵐の予測



フレア・ＣＭＥの発生予測



どこで 黒点の近傍



どれほど



いつ



ＣＭＥの伝播予測



規模



速度



方向



磁場の向き

24 古典的な方法 黒点の分類による

黒点の全磁束量とフレア発生数

25 大きな黒点 小さな黒点 黒点の全磁束量 1日以内に大フレアが生じた数 1日以内に大フレアを生じなかった数

磁気シアと自由エネルギー

ポテンシャル磁場



















B

B

J

1

0

0 シア磁場

0









B

B

シア磁場

0









B

B

シグモイド 蓄積 磁気ヘリシティ<0 磁気ヘリシティ>0

太陽フレアの基本過程

reconnection flare loop 磁気エネルギーの蓄積 磁気エネルギーの解放 太陽表面 太陽コロナ磁場の磁気リコネクション しかし、蓄積から解放への_{遷移過程は未解明}

新世代の太陽研究

最新の観測研究と大規模シミュレーションの融合

地球シミュレータ

太陽と地球のコンピュータ

シミュレーションモデル

太陽フレア発生、太陽黒点活動、

コロナの加熱と太陽風の加速、太陽の地球環境影響

データ駆動型シミュレーション

30 太陽表面磁場 太陽観測衛星

3次元磁場モデル

電磁流体力学シミュレーション

フレア発生機構の理解と予測

31 図１：2006年12月に発生した太陽フレアと黒点の衛星観測データ（右）及びこのデータを用いた実証モデルで初めて得られた 磁力線の3次元構造(左)。

世界初の太陽嵐シミュレーション

最新の観測研究と大規模シミュレーションの融合

太陽フレア・ＣＭＥ再現実験 太陽圏コロナ質量放出シミュレーション 地球磁気圏シミュレーション 高エネルギー粒子の加速 33 朝日新聞2010年3月16日 中日新聞2010年3月16日

太陽の気候影響



歴史的論争

William Herschel (1732-1822)太陽黒点とロンドン

の穀物市場との関係に関する研究(1801)



小氷期（little ice age)

Moberg et al.(2005)：マウンダー極小期に対応した

時代に20世紀後期に比べて0.7度程度寒冷化してい

た可能性がある。

William Herschel1738-1822

小氷期

little ice age

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Sunspot_Numbers.png

“Sports on a Frozen River” by Aert van der Neer

Courtesy: The Metropolitan Museum of Art

35

太陽黒点と宇宙線量の変化

宇宙線 縄文杉 黒点極大 黒点極小 太陽風 宇宙線 n + 14_{N →} 14_{C +} 1_H 窒素 炭素同位体 太陽圏 磁場 宇宙線大 太陽活動小 宇宙線小 太陽活動大

北半球平均気温

宇宙線生成核種

Δ14_{C（太陽活動指標）}

熱帯アンデス氷河

小氷期 中性温暖期 Mann et al. 1998, 1999 Moberg et al. 2005 Pollack & Smerdon 2004 Dahl-Jensen et al. 1998

Stuiver and Quay 1980 Klein et al. 1980 Raisbeck et al. 1990 Usoskin et al. 2002 Polissar et al. 2006 Kirkby 2007

太陽活動と気候変動

1000 1200 1400 1600 1800 2000 西暦

37

太陽黒点活動に伴う様々な変動

Usoskin 2008 sunspot GCR 黒点 _白斑 F10.7 白斑と黒点の違い 黒点 白斑

地球に対する太陽影響の研究

2010/8/17

銀河宇宙線

太陽変調

放射強度（TSI)

放射スペクトル（SSI)

太陽ダイナモ

黒点・磁場活動

太陽風

太陽圏磁場

太陽面爆発

（フレア・CME)

高エネルギー粒子

雲

オゾン 循環

Flux transfer dynamo model

39 40

Leif Svalgaard’s home page

Polar Field Scaled by Size of Next Cycle is Possibly an Invariant

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 MSO* WSO North - South Solar Polar fields [microTesla]

Rmax24= 75 Our Prediction

サイクル２４（百年ぶりの低活動？）

2003年10月28日 2010年5月16日 活動領域数の変化 前極小期 今極小期

Leif Svalgaard's Research Page

パリティ 2010 1月号

「太陽活動は回復するか？」 草野完也

42

State of the Art: Predicting Cycle 24

What the Sun seems to be doing

なぜ、太陽研究は面白いか？

43

非線形プラズマ現象の宝庫

巨大なプラズマの実験室

地球に最も近い恒星

様々な天体現象をひも解く鍵

太陽地球システムの中心

太陽フレア・太陽風・太陽嵐

地球環境への影響

太陽黒点活動と気候変動

小氷期 太陽磁気ループ _{銀河ループ} 2010/8/17

名古屋大学太陽地球環境研究所



太陽地球システムの総合的研究



太陽、太陽圏、磁気圏、電離圏、大気圏、

宇宙線、惑星、宇宙天気、宇宙気候

惑星間空間 星間空間 太陽 惑星磁気圏 太陽圏 衛星磁気圏

名古屋大学でできる太陽研究



歴史的課題への挑戦



太陽・太陽圏・地球圏を一体のシステムとした

総合研究

45

太陽黒点

の謎

太陽フレア

の謎

太陽コロナ

の謎

太陽黒点はなぜ生まれる？ 11年周期とは何か？ 太陽系最大の爆発「太陽 フレア」の発生メカニズム？ 太陽コロナはなぜ太陽より はるかに高温か？

宇宙天気研究

宇宙気候研究

太陽面爆発現象の発生予測 太陽面爆発現象の影響予測 太陽の気候影響の機構解明 太陽黒点活動の予測

太陽風、電離層の電波観測

46 太陽風シンチレーション観測 ＵＨＦ電波望遠鏡（富士観測所） 2010/8/17

名古屋大学大学院理学研究科



素粒子宇宙物理学専攻



宇宙地球物理系



太陽宇宙環境物理学研究室（SSt研）



草野完也([email protected])



増田智（

[email protected]）



素粒子宇宙物理系



理論宇宙物理学研究室

(Ta研)



鈴木建（[email protected]）

48

太陽宇宙環境物理学研究室

49

名古屋大学理学研究科の入試



自己推薦入試



口述審査のみ



説明会

6月中旬、出願〆切 7月初、試験 7月中



一般入試



筆記試験＋面接



出願〆切

8月初、試験 8月下旬



2次募集



実施の有無は一般入試の後、決められる予定。



受験の際には事前に研究室へ連絡することが望まし

い。

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